实验八 基于Matlab的数字信号传输系统实验

实验八基于Matlab的数字信号传输系统实验

1. 实验目的

1 掌握数字基带传输通信系统的组成；

2掌握数字基带信号的波形和功率谱特点；

3 掌握眼图的相关知识；

4 利用Matlab仿真画出几种数字基带信号的波形及功率谱函数。

2. 实验原理

2.1 数字通信系统

数字通信系统可进一步细分为数字基带传输通信系统、数字频带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。本实验主要研究数字基带传输系统。

2.2 数字基带传输通信系统

原理上说，数字信息可以直接用数字代码序列表示和传输，但在实际传输中，视系统的要求和信道的情况，一般需要进行不同形式的编码，并且选用一组取值有限的离散波形来表示。这些取值离散的波形可以是未经调制的电信号，也可以是调制后的信号。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频率或很低频率开始，称为数字基带信号。在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输。例如，在计算机局域网中直接传输基带脉冲。这种不经载波调制而直接传输数字基带信号的系统，称为数字基带传输系统，其系统框图如图8.1所示：

图8.1 数字基带传输系统框图

图8.1是一个典型的数字基带信号传输系统方框图，其中各方框的功能和信号传输的物理过程简述如下：

（1）信道信号形成器。它的功能是产生适合于信道传输的基带信号波形。

（2）信道。是允许基带信号通过的媒质，通常称为有线信道。信号通过信道时，会受信道特性的影响产生失真，还会引入噪声。

（3）接收滤波器。用来接收信号，尽可能滤除信道噪声和其他干扰，对信道特性进行均衡，使输出的基带波形有利于抽样判决。

（4）抽样判决器。在传输特性不理想及噪声背景下，在规定时刻（由位定时脉冲控制）对接收滤波器的输出波形进行抽样判决，以恢复或再生基带信号。

2.3 数字基带信号

数字基带信号是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的种类很多，如单/双极性码、单/双极性归零码、差分码、AMI码、HDB3码、PST码以及双相码等等。

在实际系统中，对传输用的基带信号的要求主要有两点：(1) 对各种代码的要求，期望将原始信息符号编制成适合于传输用的码型；(2) 对所选码型的电波形要求，期望电波形适宜于在信道中传输。前一问题称为传输码型的选择；后一问题称为基带脉冲的选择。

以矩形脉冲为例，介绍几种基本的基带信号波形。

(1) 单极性不归零码

它用正电平和零电平的脉冲分别对应二进制码“1”和“0”。

图8.2 单极性不归零码波形

(2) 双极性不归零码

它用正、负电平的脉冲分别表示二进制码“1”和“0”。

图8.3 双极性不归零码波形

(3) 单极性归零码

所谓归零（Return-to-zero，RZ）波形是指它的有电脉冲宽度τ小于码元宽度T，即信号电压在一个码元终止时刻前总要回到零电平。通常，归零波形使用半占空码，即占空比（τ/ T）为50%。

图8.4 单极性归零码波形

（4）双极性归零码

它是双极性码的归零形式，兼具有双极性和归零码的特点。

图8.5 双极性归零码

本实验采用图8.4所示的由矩形脉冲组成的单极性归零码波形。

2.4 数字基带信号的功率谱密度

(1) 数字基带信号的数学表达式

()()

n n s t s t +∞

=−∞=∑ (8.1)

其中：

()()(

)121s n s g t nT ,P

s t g t nT ,-P −⎧=⎨−⎩ (8.2)

()1g t 和()2g t 分别表示消息码元“0”和“1”，s T 为码元宽度。

（2）数字基带信号功率谱密度公式

()()()()

()()()()

2

122

2

1211s s B

B B B m P f f P P G f G f f PG mf P G mf f mf +∞

=−∞=−− ++−ξ−∑ (8.3)

(3) 数字基带信号功率谱密度

图8.6 单极性信号的功率谱密度（实线表示单极性非归零码，虚线表示单极性归零码）

图8.7 双极性信号的功率谱密度（实线表示双极性非归零码，虚线表示双极性归零码）

从图8.6和图8.7可以看出：

（1）数字基带信号功率谱密度包含连续谱和离散谱。连续谱始终存在，决定信号的功率分布，用于确定信号的带宽。

（2）离散谱在某些情况不存在，当离散谱存在时即为码元频率的N次谐波分量，携带了位同步定时信息，用于接收端位同步定时提取。当符号“0”出现的概率

()

()

1

2

1

1

P k

g t

g t

==

−

(8.4) 且01

k

<<时，不存在离散谱。

2.5 眼图

对于一个实际的基带传输系统，码间干扰是不可避免的，而码间干扰问题与发送滤波器特性、信道特性、接收滤波器特性等因素有关，因而误码率的计算就变得非常困难，特别是在信道特性不能完全确定的情况下，甚至得不到一种合适的定量分析的方法。利用实验手段可以方便地估计系统性能，用一个示波器跨接在接收滤波器的输出端，然后调整示波器水平扫描周期，使其与接收码元的周期同步。这时就可以从示波器显示的图形上，观察出码间干扰和噪声的影响，从而估计出系统性能的优劣程度。由于在传输二进制信号波形时，示波器显示的图形很像人的眼睛故称之为眼图。

在无噪声存在的情况下，一个二进制的基带系统将在接收滤波器输出端得到一个基带脉冲的序列。如果基带传输特性是无码间干扰的，用示波器观察信号波形，并将示波器扫描周期调整到码元的周期T，这时信号波形的每一个码元将重叠在一起。由于信号波形时无码间干扰的，因而重叠的图形完全重合，故示波器显示的迹线又细又清晰，如图8.8所示：